Nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện chi tiết dạng tấm phẳng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÔ THỊ HƯƠNG QUY

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT

DẠNG TẤM PHẲNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÔ THỊ HƯƠNG QUY

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT

DẠNG TẤM PHẲNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN, 2017

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 1 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy

giáo - PGS,TS Nguyễn Hữu Công, người đã trực tiếp chỉ bảo và thầy giáo - TS Vũ

Ngọc Kiên hướng dẫn em trong suốt thời gian qua.

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với các thầy cô giáo trong Khoa, bộ môn cùng

đông đảo bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ rất nhiều cho việc thực hiện luận văn này.

Mặc dù được sự chỉ bảo sát sao của thầy hướng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản

thân. Song vì kiến thức còn hạn chế, nên chắc chắn luận văn này không tránh khỏi

những thiếu sót nhất định. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự

góp ý chân thành của các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 2 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................1

MỤC LỤC...................................................................................................................2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.....................................................................4

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................6

CHƯƠNG 1. 9YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT

ĐỘ TRONG NHIỆT LUYỆN.....................................................................................9

1.1 Khái quát chung về điều khiển nhiệt độ. ...........................................................9

1.2 Yêu cầu công nghệ của quá trình điều khiển nhiệt độ trong nhiệt luyện ........10

1.2.1 Các khái niệm cơ bản về nhiệt luyện........................................................10

1.2.2 Các tác dụng chủ yếu của nhiệt luyện ......................................................11

1.2.3 Một số phương pháp nhiệt luyện cơ bản ..................................................12

1.2.4 Một ví dụ về nhiệt luyện – nhiệt luyện thép cắt gọt .................................17

1.3. Thành lập phương trình truyền nhiệt..............................................................19

1.4. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ..............................................................21

1.5. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp giải tích .........22

1.6. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp số...................24

1.6.1. Phương pháp sai phân giải bài toán có trị ban đầu ..................................25

1.6.2. Phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều....................29

1.7. Kết luận chương 1 ..........................................................................................35

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA BÀI TOÁN ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ...................................................................................................36

2.1. Xây dựng mô hình toán học của đối tượng điều khiển ..................................36

2.1.1 Các phương pháp xác định đặc tính động học của đổi tượng điều khiển.36

2.1.2 Mô hình lò điện trở trên quan điểm điều khiển ........................................37

2.2. Xây dựng mô hình tính toán nhiệt độ của thép tấm .......................................39

2.2.1 Đặt vấn đề .................................................................................................39

2.2.2 Xây dựng mô hình tính toán nhiệt độ thép tấm theo mô hình hàm truyền ......40

2.3. Ví dụ tính toán hàm truyền từng lớp khi chia phôi thành 1 lớp và 3 lớp .......51

2.4. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ ..................................................52

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 3 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

2.5. Kết luận ..........................................................................................................54

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG THÉP TẤM ....55

3.1. Giới thiệu bộ điều khiển mờ...........................................................................55

3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ..............................................................................70

3.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển nhiệt độ thép tấm .........77

CHƯƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...........................................................83

4.1. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép

tấm 3 lớp................................................................................................................83

4.2. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép

tấm khi thông số thép tấm thay đổi .......................................................................84

4.2.1 Khi thông số thép tấm không đổi, mô hình thép tấm thay đổi .................84

4.2.2 Khi thông số thép tấm thay đổi, mô hình thép tấm 3 lớp .........................86

4.3 Kết luận chương 4 ...........................................................................................88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................89

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................90

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 4 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất cơ khí..................................................................13

Hình 1.2 Hình dạng cơ bản của dao phay .................................................................18

Hình 1.3 Chu trình nhiệt luyện của dao phay []........................................................19

Hình 1.4 Lưới sai phân..............................................................................................25

Hình 1.5 Lưới sai phân và hàm lưới .........................................................................30

Hình 1.6 Sơ đồ hiện bốn điểm...................................................................................32

Hình 1.7 Sơ đồ ẩn bốn điểm......................................................................................33

Hình 1.8 Sơ đồ Crank - Nicolson..............................................................................34

Hình 2.1 Mô hình thép tấm một lớp..........................................................................41

Hình 2.2 Mô hình thép tấm 2 lớp ..............................................................................42

Hình 2.3 Mô hình thép tấm 3 lớp ..............................................................................45

Hình 2.4 Mô hình thép tấm 4 lớp ..............................................................................47

Hình 2.5 Mô hình thép tấm n lớp ..............................................................................49

Hình 2.6 Bộ quan sát thép tấm một lớp ....................................................................52

Hình 2.7 Đáp ứng đầu ra của mô hình thép tấm một lớp..........................................53

Hình 2.8 Bộ quan sát thép tấm hai lớp......................................................................53

Hình 2.9 Đáp ứng đầu ra của mô hình thép tấm hai lớp ...........................................53

Hình 2.10 Bộ quan sát thép tấm ba lớp.....................................................................54

Hình 2.11 Đáp ứng đầu ra của mô hình thép tấm ba lớp ..........................................54

Hình 3.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản ...........................................................................55

Hình 3.2. Bộ điều khiển mờ động .............................................................................55

Hình 3.3: Hàm liên thuộc của luật hợp thành AB(x,y)..........................................59

Hình 3.4: Xác định độ thỏa mãn H(x0) .....................................................................60

Hình 3.5: Cách kết hợp các mệnh đề ........................................................................64

Hình 3.6 Xác định miền chứa giá trị rõ.....................................................................66

Hình 3.7 Nguyên lý trung bình .................................................................................66

Hình 3.8: a, Nguyên lý cận phải. b, Nguyên lý cận trái.....................................67

Hình 3.9: Hàm liên thuộc B’ có G không liên thông ................................................67

Hình 3.10 Phương pháp điểm trọng tâm...................................................................68

Hình 3.11 Miền không liên thông có thể y’ = 0........................................................68

Hình 3.12 Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang......................................................69

Hình 3.13: Xác định giá trị rõ cho bộ ĐK.................................................................69

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 5 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hình 3.14 Tính y' bằng phương pháp độ cao ............................................................70

Hình 3.15 Bộ điều khiển mờ tĩnh..............................................................................71

Hình 3.16. Hàm liên thuộc ........................................................................................71

Hình 3.17 Tập các hàm liên thuộc các tập mờ đầu vào (i = 1;2) ..............................72

Hình 3.18 Bộ điều khiển mờ động với 2 đầu vào và 2 đầu ra ..................................74

Hình 3.19 Mô hình điều khiển mờ theo luật I...........................................................76

Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ PD...............................................................................76

Hình 3.21 Bộ điều khiển mờ PI.................................................................................77

Hình 3.22 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lò điện trở ........................................77

Hình 3.23 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thép tấm sử dụng bộ điều khiển mờ PD .78

Hình 3.24 Sơ đồ khối mờ ..........................................................................................78

Hình 3.25 Biến Out ...................................................................................................79

Hình 3.26 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu vào là ET ...........................................80

Hình 3.27 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu vào là DET ........................................80

Hình 3.28 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu ra........................................................81

Hình 3.29 Kết quả chọn luật hợp thành dạng hình học.............................................82

Hình 3.30 Bề mặt của luật hợp thành........................................................................82

Hình 4.1 Sơ đồ Simulik hệ thống điều khiển nhiệt độ thép tấm sử dụng bộ điều khiển

mờ động PD ..............................................................................................................83

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển thép tấm sử dụng bộ điều khiển mờ

động PD.....................................................................................................................83

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển thép tấm một lớp ............................84

và kết quả mô phỏng .................................................................................................84

Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển thép tấm hai lớp và kết quả mô phỏng.....85

Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển thép tấm hai lớp và kết quả mô phỏng ..86

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng nhiệt độ các lớp của thép tấm khi giảm bề dày thép tấm .87

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng nhiệt độ các lớp của thép tấm khi tăng chiều dài – rộng

của thép tấm ..............................................................................................................87

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng nhiệt độ các lớp của thép tấm khi tăng chiều dày, giữ

nguyên chiều dài – rộng của thép tấm.......................................................................88

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 6 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động hóa nhằn thúc đẩy sự phát triển kinh tế quốc dân không còn là một

khái niệm mới mẻ nữa mà thực sự đã đem lại những bước chuyển biến rõ rệt. Trong

cuộc sống đời thường hàng ngày, trong các nhà máy xí nghiệp, giao thông, thủy

lợi… đều áp dụng tự động hóa. Bất kỳ sản phẩm công nghiệp nào muốn có sự canh

tranh về chất lượng sản phẩm hoặc về giá cả đều cần phải nâng cao chất lượng sản

phẩm và năng suất lao động, mà để đạt được điều trên một cách bền vững nhất đó là

áp dụng điều khiển tự động trong quá trình sản xuất.

Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, để tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển tự

động để điều khiển đối tượng đạt được các chỉ tiêu công nghệ yêu cầu không phải là

một việc dễ dàng, bởi vì ta luôn gặp hàng loạt các vấn đề cần giải quyết liên quan đến

việc đối điều khiển như sự bất định mô hình đối tượng theo thời gian làm việc dẫn

tới sự thay đổi của thông số đổi tượng hay tính phi tuyến của đối tượng điều khiển,

... Điều này có thể nhận thấy rõ ở các đối tượng nhiệt, vì các thiết bị nhiệt thường bị

già hóa theo thời gian sử dụng nên các thông số bị thay đổi. Trong công nghiệp có

nhiều công nghệ liên quan tới bài toán gia nhiệt như: ủ vật liệu từ khi chế tạo máy

điện, nung gạch men, gốm sứ, nhiệt luyện các chi tiết máy, chế tạo cáp quang, ủ thuỷ

tinh quang học. Ví dụ như trong ngành cơ khí, việc nâng cao chất lượng các sản

phẩm : trục, bánh răng, bạc,…phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu và quá trình nhiệt

luyện. Nhiệt luyện có ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí.

Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng chi tiết cần nhiệt

luyện càng nhiều. Đối với các nước công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ ngành

chế tạo cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, bởi vì dù gia công cơ khí chính

xác nhưng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì

tuổi thọ của chi tiết cũng không cao và mức độ chính xác của máy móc không còn

giữ được theo yêu cầu.

Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý nghĩa kinh tế rất

lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu của công trình, máy móc thiết

bị…) mà còn là thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi

quốc gia.

Với mong muốn tìm hiểu quá trình nhiệt luyện và điều khiển tự động quá trình

nhiệt luyện các chi tiết cơ khí mà cụ thể là các chi tiết máy dạng tấm phẳng, đề tài

của em tập trung vào tìm hiểu các phương pháp nhiệt luyện, các quá trình truyền nhiệt

trong nhiệt luyện, các phương trình mô tả quá trình nhiệt trong nhiệt luyện, các mô

Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 7 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

hình thép tấm. Từ việc tìm hiểu quá trình nhiệt luyện em thấy rằng: Việc điều khiển

tối ưu quá trình gia nhiệt thường dẫn đến các bài toán sau :

- Bài toán nung nhanh nhất;

- Bài toán nung chính xác nhất;

- Bài toán nung ít bị ô xy hoá nhất;

- Bài toán nung ít tổn hao năng lượng nhất.

Trong nội dung đề tài này em tập trung nghiên cứu bài toán nung chính xác

nhất của quá trình điều khiển nhiệt độ trong phôi, tức là hãy tìm tín hiệu điều khiển

tối ưu sao cho sau một khoảng thời gian T cho trước phân bố trường nhiệt độ thực

trong vật nung sai số nhỏ nhất so với phân bố nhiệt độ yêu cầu. Từ đó em tiến hành

mô hình hóa thép tấm theo dạng mô hình hàm truyền và thiết kế một bộ điều khiển

mờ để điều khiển nhiệt độ của thép tấm đạt được nhiệt độ mong muốn – từ đó ta có

thể điều khiển nhiệt độ của thép tấm theo yêu cầu chất lượng cụ thể hoặc theo chu

trình nhiệt của quá trình gia nhiệt. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng

mô phỏng và mở ra khả năng ứng dụng vào thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

- Đề tài nghiên cứu giải bài toán điều khiển nhiệt độ trong phôi, thực chất là

bài toán điều khiển cho hệ thống có tham số phân bố.

- Ứng dụng cho quá trình gia công nhiệt luyện một số dạng chi tiết cơ khí, cụ

thể là thép tấm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu trên mô hình của một số dạng phôi cụ thể: chi tiết máy dạng phôi

tấm

- Phạm vi nghiên cứu:Các chi tiết máy bằng kim loại.

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các công trình khoa học đã công bố, nhằm xác định chắc chắn

các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra.

- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán;

- Tiến hành mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng lý thuyết;

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Hiện nay, trong kĩ thuật ta thường mới giải quyết bài toán điều khiển nhiệt

độ trong các lò nung sao cho thoả mãn một chỉ tiêu chất lượng nào đó. Tuy nhiên chất

lượng của sản phẩm trong các quá trình gia công nhiệt lại phụ thuộc vào nhiệt độ của

bản thân sản phẩm trong lò; thậm chí còn phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt của từng

lớp hay nói chính xác hơn là phụ thuộc vào trường nhiệt độ trong vật (mà không có

khả năng đo được). Với việc mô hình hóa thép tấm theo dạng hàm truyền và thiết kế